JP2009151982A - 高圧放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】液晶プロジェクターやＤＬＰプロジェクター装置等の光源として使用され、点灯と消灯とを繰り返しても電極芯棒の曲がりの発生を抑制し、高寿命化を可能にした高圧放電ランプを提供すること。
【解決手段】石英ガラス製の発光管２の両側に封止部３を有し、発光管２内に一対の電極４を対向配置した高圧放電ランプ１において、電極４に続く電極芯棒５は、石英ガラス体６の中心孔に、該中心孔の周囲に隙間を設けて挿通され、石英ガラス体６は電極芯棒５に位置決め固定されてなり、石英ガラス体６の中心孔内面に耐熱性金属からなる赤外線反射薄膜８が設けられ、石英ガラス体６は封止部３を構成する石英ガラスと一体となっていることを特徴とする高圧放電ランプである。
【選択図】図１

Description

本発明は、高圧放電ランプに係わり、特に、液晶プロジェクターやＤＬＰプロジェクター装置等の光源として使用される高圧放電ランプに関する。

液晶プロジェクターやＤＬＰプロジェクター装置の光源には、一般に、特許文献１に記載されているような高い水銀蒸気圧の高圧放電ランプを凹面反射鏡に取り付けたランプユニットが使用されている。水銀蒸気圧を高くすることによって、可視波長域の光が高出力で得られるからである。

近年、プロジェクター用の高圧放電ランプは、交流用の高圧放電ランプが主流となってきているが、電極の温度が直流用の高圧放電ランプより高くなるという問題がある。交流用の高圧放電ランプの電極温度が高くなる理由は、一対の各電極が熱電子を放出する陰極を兼ねる必要があるために、各電極を直流用の高圧放電ランプのように極端に大型化することがでず、陽極としての動作時に耐えうる十分な熱容量を確保することができないためである。

さらに、光源のコンパクト化、光量の増大化に伴い、高圧放電ランプは大電力かつ高い動作圧力に耐えうる設計が求められ、電極頭部の熱容量の増加および封止部の電極芯棒径の縮小化が進められてきた。しかし、このことによって電極頭部と電極芯棒径との重量アンバランスが顕在化し、石英ガラスの開口部における電極のモーメントが大きくなり、電極芯棒の石英ガラス内壁への同心円状の均等な接触が失われ、熱収縮時のタングステンと石英ガラス間のストレスが大きくなるという問題を生じている。また、プロジェクター市場では、教育用途等が増大しており、そのために光源の点滅頻度の高い使用態様が増加し、点滅耐性の高い電極が必要となってきている。

このような交流用の高圧放電ランプを用いて、定格電力によってランプの点灯・消灯を繰り返すと、高圧放電ランプの電極軸部が曲がり、その結果、放電アークの位置が凹面鏡の光軸からずれてしまい、ランプユニットからの光出力が低下するという問題が発生した。

図５は、電極軸部の折れ曲がりが生じた従来技術に係る高圧放電ランプの構成を示す一部正面図である。ここで、電極軸部の折れ曲がりとは、同図に示すように、高圧放電ランプ１００の内部に配置された一対の電極１０１、１０２が、放電空間内に露出する石英ガラスの開口部１０３、１０４付近において、電極頭部１０５、１０６の中心が、封止部１０７、１０８に埋設された電極芯棒１０９、１１０の長手方向の軸に対して離間するように折れ曲がった状態をいう。この電極軸部の折れ曲がり、つまり、電極芯棒１０７、１０８の長手方向の軸に対する電極頭部１０５、１０６の中心位置の離間距離は、例えば、電極頭部１０５、１０６の中心位置から石英ガラスの開口部１０３、１０４との距離が５ｍｍの高圧放電ランプにおいて１．５ｍｍ以上にも達し、製品の寿命故障レベルに相当する重大なものである。
特開平１１−２９７２６８号公報

電極軸部の折れ曲がりについて調べたところ、従来のシール方法では、電極芯棒を周囲の封止管のガラスを負圧環境において溶融収縮するために、必ず石英ガラスと電極芯棒とは接触して封止されている。そして接触封止された箇所よりクラックが発生することが多いことが分かった。さらに、鋭意観察した結果、ランプの点灯と消灯との繰り返しにより、電極は熱膨張を繰り返し、クラックが生じた部分が支点となって、電極はクラックがある方向またはクラックが無い方向へと曲がり始めて行くことが分かった。

また、点灯する前に電極芯棒と接触封止された箇所にクラックが発生していなくても、点灯と消灯とを繰り返して行くにつれて、やがて電極芯棒とガラスが溶着してしまい、クラックが生じる。そして、このクラックが支点となり、電極芯棒はクラックが生じた方向またはクラックが無い方向へ曲がり始めることが分かった。即ち、電極芯棒は点灯を繰り返すことにより伸縮する。そのため、クラック側は石英ガラスと電極芯棒が密着しているためクラック側が支点となり密着されていない方が伸びて行くためにクラック側へと曲がって行くことが考えられ、また、点灯時にクラックによる密着が開放された場合、消灯時に熱収縮により再溶着しクラックとは反対方向へと曲がって行くと考えられる。

本発明の目的は、上記の問題点に鑑み、点灯と消灯とを繰り返しても電極芯棒の曲がりの発生を抑制し、ランプの高寿命化を可能にした高圧放電ランプを提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
第１の手段は、石英ガラス製の発光管の両側に封止部を有し、前記発光管内に一対の電極を対向配置した高圧放電ランプにおいて、前記電極に続く電極芯棒は、石英ガラス体の中心孔に、該中心孔の周囲に隙間を設けて挿通され、前記石英ガラス体は前記電極芯棒に位置決め固定されてなり、前記石英ガラス体の中心孔内面に耐熱性金属からなる赤外線反射薄膜が設けられ、前記石英ガラス体は前記封止部を構成する石英ガラスと一体となっていることを特徴とする高圧放電ランプである。
第２の手段は、第１の手段において、前記電極芯棒は、前記電極に続く大径部と該大径部に続く小径部とからなり、該小径部が前記石英ガラス体の中心孔に挿通され、前記石英ガラス体は、前記大径部と前記小径部との境に形成される段差部にて位置決めされ、前記石英ガラス体の前記発光管側の端面は、外方に向けて徐々に拡径すると共に該石英ガラス体の中心軸対称の凹面形状となっていることを特徴とする高圧放電ランプである。
第３の手段は、第１の手段または第２の手段において、前記赤外線反射薄膜は、モリブデンであることを特徴とする高圧放電ランプである。
第４の手段は、第１の手段ないし第３の手段のいずれか１つの手段において、前記高圧放電ランプは、前記発光管に、０．１６ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、希ガスと、ハロゲンとを封入し、交流点灯されることを特徴とする高圧放電ランプである。

本発明によれば、石英ガラス体のほぼ全長に亘り、電極芯棒と石英ガラス体の中心孔内面の金属薄膜とが離間している構造とすることができるため、電極芯棒と石英ガラスとの溶着のおそれがなくなり、電極芯棒の曲がり不良を防止することができる。

本発明の一実施形態を図１ないし図４を用いて説明する。
図１は、本実施形態に発明に係る高圧放電ランプ１の構成を示す平面図である。
同図に示すように、この高圧放電ランプ１は、石英ガラス製の発光管２の両側に封止部３、３を有し、発光管２内に一対の電極４，４が対向配置されており、発光管２内に、０．１６ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、希ガスと、ハロゲンとが封入されており、一対の電極４，４の形状が略同一の交流点灯型の高圧放電ランプである。

図２は、図１に示した高圧放電ランプ１の電極マウントの拡大正面図である。
ここで、電極マウントとは、電極４をその先端に具備した電極芯棒５と、電極芯棒５が挿通される石英ガラス体６と、石英ガラス体６の外で電極芯棒５が、例えば、タングステン（Ｗ）からなるコイル９および金属箔７に挿通され、金属箔７において溶接されてなる構造体を指す。この電極マウントにおいて、電極４に続く電極芯棒５は、電極芯棒大径部５１と、電極芯棒小径部５２と、電極大径部５１と電極小径部５２との境に形成される電極芯棒段差部５３とを有し、電極芯棒小径部５２が石英ガラス体６の中心孔に所定の間隔を持って挿通され、石英ガラス体６は電極芯棒段差部５３において位置決め固定される。石英ガラス体６の中心孔の内面には耐熱性金属からなる赤外線反射薄膜８が形成されている。石英ガラス体６は最終的には封止部３を構成する石英ガラスと一体となる。

耐熱性金属からなる赤外線反射薄膜８としては、モリブデン（Ｍｏ）が好適であるが、タングステン（Ｗ）も使用することができる。発光管２内に水銀を含む場合、白金（Ｐｔ）は水銀とアマルガムを形成し水銀を消費してしまうため使用することができない。また、発光管２内にハロゲンを含む場合、レニウム（Ｒｅ）やタンタル（Ｔａ）はハロゲン化物を作り赤外線反射薄膜８が剥がれ落ちる等するために使用することができない。

次に、本発明に係る電極マウントの実施例を図２を用いて説明する。
電極マウントは、石英ガラス体６の中心孔の内面に赤外線反射薄膜８となるＭｏ薄膜が被覆され、石英ガラス体６の中心孔に電極芯棒小径部５２が直接触れないように構成されている。Ｍｏ薄膜はスパッタリングあるいは真空蒸着によって形成される。電極芯棒５の電極芯棒大径部５１は、例えば、φ０．６であり、電極芯棒小径部５２は、例えば、φ０.４であり、石英ガラス体６の内径は、例えば、φ０.４５であり、石英ガラス体６の全長は、例えば、１．５ｍｍ、外径はφ１.８である。

図面上では、石英ガラス体６と封止部３は明確に区別されているが、実際には同材料の石英ガラスを加熱して密着させているので、石英ガラス体６と封止部３はほぼ一体になるように形成される。石英ガラス体６の外表面と封止部３との境目は目視では区別できないが、石英ガラス体６の放電空間に面する端面において、石英ガラス体６の加工線が残存し、また、石英ガラス体６内面に赤外線反射薄膜８の薄膜が残存していることを目視による着色部分の存在や、例えば、ＥＰＭＡ分析により分かる。これによって、中心孔内面に耐熱性金属からなる赤外線反射薄膜８を備えた石英ガラス体６の中心孔に、電極芯棒５が挿通されて封止されていることを確認することができる。

図３は、本発明に係る電極マウントの製造工程の一例を示す図である。
まず、図３（ａ）に示すように、金属箔７の小幅部に石英ガラス体固定用のコイル９を通したものを用意する。次に、図３（ｂ）に示すように、電極芯棒５の電極芯棒小径部５２を挿通するための、中心孔内面に赤外線反射薄膜８を被膜した石英ガラス体６を用意する。次に、図３（ｃ）に示すように、電極芯棒５の電極芯棒小径部５２を石英ガラス体６に挿入し、石英ガラス体６が電極芯棒段差部５３に突き当たるまで挿入する。次に、図３（ｄ）に示すように、電極芯棒５の電極芯棒小径部５２に金属箔７の小幅部を重ね合わせる。次に、図３（ｅ）に示すように、金属箔７の小幅部上のコイル９を石英ガラス体６に突き当たるまでスライドさせる。その結果、石英ガラス体６は電極芯棒段差部５３とコイル９との間で位置決めされる。次に、図３（ｆ）に示すように、電極芯棒小径部５２と金属箔７を溶接し、併せてコイル９も電極芯棒小径部５２に溶接固定する。
その結果、石英ガラス体６のほぼ全長に亘り、電極芯棒小径部５２と石英ガラス体６の中心孔内面の赤外線反射薄膜８とは離間して、電極芯棒小径部５２と石英ガラス体６が溶着しない構造とすることができる。

このような構造となることは、次の理由によるものと推測される。耐熱性金属からなる赤外線反射薄膜８が石英ガラス体６の中心孔内面に被膜されていることにより、ランプの封止工程において、バーナーを封止部３外面から当てて加熱する際に、電極４および電極芯棒５が赤熱化する。赤熱化した電極芯棒５からは赤外線が石英ガラス体６の中心孔内面に向かい輻射されるが、赤外線反射薄膜８が存在することにより、その赤外線が電極芯棒５に向けて反射され、石英ガラス体６の内面が溶融しないで済み、その結果、電極芯棒５と石英ガラス体６の中心孔内面の赤外線反射薄膜８とが離間して電極芯棒５と石英ガラス体６が溶着しない構造とすることができるものと考えられる。
さらに、バーナーにて加熱された封止部３外面からの伝導熱は、石英ガラス体６の中心孔内面に達するが、赤外線反射薄膜８を構成するモリブデン（Ｍｏ）は、石英ガラスよりも放射率が高いので、内部円筒空間に熱を放出し、石英ガラス体６の中心孔内面の温度が石英ガラスが収縮する温度まで上昇せず、その結果として、電極芯棒５と石英ガラス体６の中心孔内面の赤外線反射薄膜８とが離間して、電極芯棒５と石英ガラス体６とが溶着しない構造となるものと考えられる。

次に、本発明に係る電極マウントを採用した高圧放電ランプと従来技術に係る高圧放電ランプとを用いて、点灯と消灯とを繰り返した場合の電極芯棒部の曲がりの有無を調べる実験について説明する。
実験には、以下の形態を有する電極芯棒付近の構造を備えた、交流の定格電力２７５Ｗの４種類の高圧放電ランプ（本発明に係る実施例１、比較例１、比較例２、比較例３）を各々３０本用意した。

本発明に係る実施例１の高圧放電ランプは、電極芯棒付近の構造として、図２に示されるような電極マウントを有し、石英ガラス体６の中心孔内面に赤外線反射薄膜８としてＭｏ薄膜をスパッタ被覆し、石英ガラス体６の中心孔に電極芯棒５が直接触れないように構成されたものである。なお、前記スパッタ膜厚は１〜５μｍの範囲にある。
比較例１の高圧放電ランプは、電極芯棒を周囲の封止部の石英ガラスを負圧環境において溶融収縮した電極芯棒付近の構造を有するもので、使用開始前に既に電極芯棒と封止管ガラスの接するガラス部分に目に見えるクラックの存在するものである。
比較例２の高圧放電ランプは、電極芯棒を周囲の封止部の石英ガラスを負圧環境において溶融収縮した電極芯棒付近の構造を有するもので、使用開始前は電極芯棒と封止管ガラスの接するガラス部分に目に見えるクラックの存在しないものである。
比較例３の高圧放電ランプは、本発明に係る実施例１の石英ガラス体と同様の石英ガラス体であるが、石英ガラス体の中心孔内面に赤外線反射薄膜を有しない中心孔に、電極芯棒を挿通した状態で、周囲の封止部のガラスを負圧環境において溶融収縮した電極芯棒付近の構造を有するもので、使用開始前は電極芯棒と封止管ガラスの接するガラス部分に目に見えるクラックの存在しないものである。

実験は、交流で点灯する定格電力２７５Ｗの４種類（本発明に係る実施例１、比較例１、比較例２、比較例３）の各々３０本の高圧放電ランプについて、点灯時間３分、消灯時間３分の点滅点灯条件で１０００回まで点滅を繰り返し、そのうち１本でも電極芯棒の曲がりが発生した場合は、曲がりが発生したとして、その結果を図４の表にまとめた。
なお、電極芯棒曲がりの判断基準は、電極芯棒の長手方向の軸に対する電極頭部の中心位置の離間距離が電極頭部中心位置から石英ガラスの開口部の距離が５ｍｍの高圧放電ランプにおいて、１．０ｍｍ以上に達した場合は、電極芯棒曲がりとした。
図４に示すように、本発明に係る実施例１の高圧放電ランプにおいては、１０００回の点灯消灯サイクルを繰り返しても電極芯棒曲がりの現象は発生しなかった。それに対して、比較例１においては、わずか２０回の点灯消灯サイクルを繰り返しただけで電極芯棒曲がりが発生し、また、比較例２においては、１２０回の点灯消灯サイクルの繰り返しで電極芯棒曲がりが発生し、比較例３においては、１００ 回の繰り返しで電極芯棒曲がりが発生した。この結果から明らかなように、本発明に係る電極マウントを有する高圧放電ランプは、電極芯棒曲がりの防止に極めて有効であることが実証された。

本発明に係る高圧放電ランプ１の構成を示す平面図である。 図１に示した高圧放電ランプ１の電極マウントを拡大正面図である。 本発明に係る電極マウントの製造工程の一例を示す図である。 実験結果をまとめた表である。 電極軸部の折れ曲がりが生じた従来技術に係る高圧放電ランプの構成を示す一部正面図である。

符号の説明

１ 高圧放電ランプ
２ 発光管
３ 封止部
４ 電極
５ 電極芯棒
５１ 電極芯棒大径部
５２ 電極芯棒小径部
５３ 電極芯棒段差部
６ 石英ガラス体
７ 金属箔
８ 赤外線反射薄膜
９ コイル

Claims (4)

1. 石英ガラス製の発光管の両側に封止部を有し、前記発光管内に一対の電極を対向配置した高圧放電ランプにおいて、
   前記電極に続く電極芯棒は、石英ガラス体の中心孔に、該中心孔の周囲に隙間を設けて挿通され、前記石英ガラス体は前記電極芯棒に位置決め固定されてなり、前記石英ガラス体の中心孔内面に耐熱性金属からなる赤外線反射薄膜が設けられ、前記石英ガラス体は前記封止部を構成する石英ガラスと一体となっていることを特徴とする高圧放電ランプ。
2. 前記電極芯棒は、前記電極に続く大径部と該大径部に続く小径部とからなり、該小径部が前記石英ガラス体の中心孔に挿通され、前記石英ガラス体は、前記大径部と前記小径部との境に形成される段差部にて位置決めされ、前記石英ガラス体の前記発光管側の端面は、外方に向けて徐々に拡径すると共に該石英ガラス体の中心軸対称の凹面形状となっていることを特徴とする請求項１に記載の高圧放電ランプ。
3. 前記赤外線反射薄膜は、モリブデンであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高圧放電ランプ。
4. 前記高圧放電ランプは、前記発光管に、０．１６ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、希ガスと、ハロゲンとを封入し、交流点灯されることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つの請求項に記載の高圧放電ランプ。
   
   

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